复合材料厚壁连杆RTM成型工艺模拟及制造验证.pdf

《复合材料厚壁连杆RTM成型工艺模拟及制造验证.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料厚壁连杆RTM成型工艺模拟及制造验证.pdf（8页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、复 合 材 料 学 报第 卷第期月 年犃 犮 狋 犪犕 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犲犆 狅 犿狆狅 狊 犻 狋 犪 犲 犛 犻 狀 犻 犮 犪犃 犮 狋 犪犕 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犲犆 狅 犿狆狅 狊 犻 狋 犪 犲 犛 犻 狀 犻 犮 犪 文章编号：（）收到初稿日期：；收到修改稿日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：国家 项目课题（）通讯作者：刘刚，博士，高级工程师，主要从事高性能树脂基复合材料相关研究 ：复合材料厚壁连杆 成型工艺模拟及制造验证刘刚，罗楚养，李雪芹，张代军，蔺绍玲，益小苏（北京航空材料研究院 先进复合材料重点实验室，北京 ；中国空空导弹研究院，洛阳 ）摘要：根据复

2、合材料的可制造性及 成型工艺的特点对复合材料厚壁连杆的几何外形进行了优化设计。测定了纤维预成型体的渗透率参数，采用数值模拟技术研究其 成型工艺过程，并根据 流动模拟结果设计了成型模具，成功地利用 工艺制备了复合材料厚壁连杆样件。对样件的力学试验考核表明，采用基于数值模拟技术的工艺设计能够很好地满足制件的制造及载荷要求。关键词：复合材料；厚壁结构；渗透率；流动模拟中图分类号：；文献标志码：，（，；，）：（）：；航空航天领域对结构减重的要求越来越高，大量应用具有优异比强度、比刚度以及结构、性能可设计性的先进复合材料已经成为一种趋势。复合材料的应用已经不再局限于蒙皮、壁板、边条等薄壁结构，具有复杂外

3、型的厚壁异型制件如梁、框、连杆、支架等主承力结构已经成为复合材料应用的新领域。复合材料的成型工艺也由传统的热压罐成型向低成本的 成型工艺发展。复合材料的结构设计理念也由原来的金属结构等代设计向整体复杂结构一体化设计转变。近年来，采用低成本的 整体成型技术制备具有复杂外形的厚壁复合材料结构在国际复合材料制造领域不乏成功的先例，如 战斗机的起落架撑杆和 直升机的起落架悬臂，。由于 工艺属于闭模成型工艺，树脂对纤维预成型体的浸渍过程对成型质量至关重要。采用数值模拟方法研究树脂在模腔里的流动过程，从而确定最佳的进、出胶口位置，指导流道设置与模具设计，并优化工艺参数，对于 成型工艺非常重要 。预成型体的

4、渗透率作为流动模拟输入参数之一，对树脂的流动特性起着决定性作用，尤其对于厚壁复杂结构，预成型体的渗透特性对制件质量影响更大。因此，准确测量预成型体的渗透率，并依此进行 成型工艺模拟，是复合材料厚壁复杂结构成型质量的保证。本文作者针对典型厚壁连杆结构件的 整体成型技术进行了探讨。首先对其几何外形进行了设计，测定了预成型体的渗透率参数，并依据测量的渗透率，对树脂的充模过程进行模拟，根据数值模拟结果指导成型模具设计，最后采用 工艺成功制备了复合材料厚壁连杆制件，并进行了力学测试，验证了基于渗透特性的 成型工艺模拟对复合材料厚壁复杂结构 整体成型的有效性与可行性。结构设计 外形设计根据连杆制件的装配要

5、求、工况载荷，同时考虑复合材料的可制造性，所研究的复合材料连杆的结构外型如图所示。复合材料连杆为厚壁双曲臂梁结构，主承力臂壁厚，两主承力臂之间通过两根腹梁连接，厚度为，保留端部开孔以满足装配需要。图复合材料连杆 铺层设计复合材料连杆材料体系选用北京航空材料研究院提供的 碳纤维增强 环氧树脂复合材料（），纤维体积分数为（）。考虑到复合材料连杆制件主要承受沿主承力臂方向的压缩载荷，两端圆柱孔在短时间内（）受到的最大冲击载荷（压缩载荷）为 。因此，主承力 臂 铺 层 顺 序 为：，腹梁的铺层顺序为：。连杆型接头区域的铺覆方式如图所示。在连杆腹梁与主承力臂的交接处形成三角区，为防止三角区形成快速流道，

6、同时，在一定程度上提高三角区的强度，采用 单向碳纤维对其进行与主体铺层等体积分数的填充。尽管如此，三角区仍是连杆静态和疲劳破坏薄弱点。采用 软件进行计算分析，实体层合单元用于模拟复合材料，实体单元用于模拟三角区树脂（如图所示），共 个六面体单元，个节点。由于结构对称，故选取模型进行分析，连杆的几何模型与有限元模型如图所示，计算过程中所用的材料性能如表所示。将连杆一端孔固支约束，并在对称面上施加对称约束，另一端孔加载。图（）为连杆的位移分布，图（）为纤维 方向应力分布。可见，最大应力出现在梁圆角过渡区。在正常工况条件下，由于复合材料连杆具有弯曲截面，故在受压的同时还承受弯曲载荷。结构件在几何过渡

7、变化较大的地方会形成应力集中，根据所给的结构、载荷和约束条件，重点关注如图所示的个关键区域。关键区域最大应力值见表。可见，纤维 方向的最大压应力为 ，位于区，是压力和弯矩的耦合作用最大的区域；最大拉应力为 ，位于区，各区域的最大应力均满足材料的性能。图型接头区域铺层示意图 表 复合材料和 环氧树脂力学性能 表 复合材料连杆各区域的最大应力值 复 合 材 料 学 报图 复合材料连杆的关键结构区域 成型工艺参数优化 渗透率参数测定所采用的 树脂的注射工艺窗口为，树脂在 下黏度为 ，据此配制玉米糖浆水溶液作为渗透率测试用等代流体，通过对其浓度进行调节使其在测试温度下的黏度为 ，等代流体黏度曲线如图所

8、示。图玉米糖浆水溶液（质量分数为）等代流体的黏度曲线 （）渗透率一般用 定律来计算 ，其单向流动的表达式为（）对单向瞬时流动，其压力降可由下式来表征：（）（）流速可由质量守恒来获得，其表达式为（）将式（）和（）代入式（）可得（）（）对式（）积分即可得到瞬时单向流动的流体前沿位置：（）或（）（）刘刚，等：复合材料厚壁连杆 成型工艺模拟及制造验证实际测试等代流体在室温下的黏度为 ，纤维预成型体的孔隙率 。图为试验得到的压力时间曲线和压力对时间的积分（即（）曲 线）。由 式（）可 知，与（）完全成线性关系，但是从图（）及图（）中 可 知，尤 其 是 开 始 注 射 时 间 段 内，随 着（）或时间增

9、加，其增加较快，达到一定距离后，其逐渐成线性关系。图（）及（）中初始段的斜率较大可由流体在层间（束间）和层内（束内）流动的不一致性来解释，对于预成型体的铺层结构，分为铺层内及铺层间，而铺层内又分为纤维束间及纤维束内两个层次。一般情况下，纤维束内体积分数比纤维束间大，在本实验中，开始阶段注射压力为 ，后将压力提高到 ，由于提供恒压较高，初始注射的流动速度较大，流体优先从纤维束间及纤维铺层间向前推进，当流动前沿超过 （如图中箭头所指），其流动才逐渐使流体在纤维束内及束间和铺层间逐渐匹配。事实上，在单向流测试中，随着流动前沿位置的不断移动，树脂对预成型体的渗透距离和渗透范围不断增加，其中饱和流动区域

10、在整个流动区域中所占的比例也随之增加，饱和渗透率（）在整个流动过程中所起的作用逐渐明显，其深层次的原因应该是传递到树脂流动前锋的压力降迅速降低 导致了非饱和渗透率（）即瞬时渗透率下降的表观现象，由初始阶段的约 ，逐渐降低到约 并趋于稳定。在渗透率试验中，并没有测到最终的饱和渗透率，而是选择图压力时间曲线及压力时间积分曲线 了流动前锋达到 时所对应的非饱和渗透率作为后续流动模拟的输入参数，主要是考虑到此时的非饱和渗透率已接近于饱和渗透率，基本可以以此为依据进行预成型体内部流体流动行为的预测。复 合 材 料 学 报 流动模拟 根据 上 节 测 试 得 到 的 渗 透 率，采 用 流动模拟软件，模拟

11、连杆注胶过程的树脂流动，为模具设计提供参考，并优化工艺参数。连杆流动模拟的三维有限元模型如图 所示，根据连杆的结构特点，设计由、四个端头注胶。预成型体的铺层面内渗透率为 ，一般来说对于高体积分数的纤维预成型体，其厚度方向上渗透率要比面内的渗透率低一个数量级，因此在本文中将预成型体厚度方向的渗透率设置为 。图 为四种不同注射方式的充模时间分布。、端头同时注胶，流动前峰在两个腹梁上汇合，出胶口应设置在另一端的端点处；端头、同时注胶，树脂流动前峰在上下两主承力臂上均有交汇，出胶口位于、口位置处；端头与端头注胶情况类似，区别在于端头注胶树脂流动前峰在腹梁的圆角处汇合，而端头注胶树脂流动前峰在靠近腹梁的

12、主梁上汇合。流动前锋汇合的位置是相对容易出现缺陷的位置，因此要尽量避免在结构的薄弱区域形成流动前锋的交汇。四种可选注胶方式的充模时间对比如表所示，此处流动模拟得到的充模时间为相对时间，仅针对不同注胶方式流动规律的对比。考虑到复合材料连杆的受载方式，主梁的弯曲区和圆角区是结构应力和应变较大的区域，因此应避免在此关键区产生缺陷，综合考虑树脂流动方式和充模时间，选择、端头作为制件的注胶位置，出胶口设置在、端头位置，其不同时刻的树脂流动前锋如图 所示，据此进行 工艺成型模具的流道设计。图 流动模拟三维有限元模型 图 不同注射方式充模时间分布 刘刚，等：复合材料厚壁连杆 成型工艺模拟及制造验证表四种可选

13、注胶方式充模时间对比 图 及端头作为注胶口的流动前锋 复合材料连杆制造根据 流动模拟的结果，进行了 成型模具的设计与制造（如图 所示），并完成了复合材料连杆的制造。图（）和图（）为安装铝合金衬套后的连杆。图 成型模具 图 最终复合材料制件 力学性能实验在复合 材 料 连 杆 端 部 设 计 位 置 加 工 直 径 为 的连接孔，并装上 厚的金属衬套（材料 ）。复合材料连杆在拉压试验台上加装后如图 所示。将复合材料连杆两孔穿过直径为 的钢轴后，用专用夹具固定在试验台上，以 的速度加载，对两轴施加压缩载荷进行测试。每次加载的最大载荷和位移如表所示（其中是计算得到的连杆最大受力值）。试验结果表明，复

14、合材料连杆在 倍载荷条件下仍能保持结构稳定性。图 复合材料连杆的力学实验 复 合 材 料 学 报表复合材料连杆的受载及变形量 （）（）（）（）（）结论（）根据复合材料的可制造性及 成型工艺的特点，设计了复合材料厚壁连杆的结构外形和铺层；并选用等代流体研究其对复合材料连杆预成型体的渗透特性，测定其渗透率参数。（）将得到的渗透率参数输入模拟软件进行 充模过程模拟，结果表明，选择复合材料连杆的、端头点注射，出胶口设置在复合材料连杆的、端头，可获得较佳的注射效果，并据此进行了 成型模具的设计与制造。（）采用 成型工艺制备了复合材料厚壁连杆，力学试验结果表明，在 倍设计载荷下，复合材料连杆仍保持了结构稳

15、定性。（）验证了复合材料厚壁连杆的制造可行性，为 整体成型复合材料厚壁结构的设计、工艺模拟及制备提供经验。参考文献：陈绍杰复合材料 技术与 大型 飞 机 航 空 学 报，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（），：，戴棣大型飞机复合材料结构相关成型工艺评述 航空制造技术，（）：，（）：陈绍杰浅谈复合材料的整体成型技术 高科技纤维与应用，（）：，（）：范玉青，张丽华超大型复合材料机体部件应用技术的新进展：飞机制造技术的新跨越 航空学报，（）：，：，（）：，（）：，（）：段跃新，孙玉敏，张佐光 工艺工字梁构件的模拟与实验研究 航空学报，（）：，（）：邱婧婧，段跃新，梁志勇 工艺参数对树脂充模过程影响的模拟与实验研究 复合材料学报，（）：，（）：姚福军，段跃新，肇研 工艺树脂注射温度优化 复合材料学报，（）：，（）：吴晓青，李嘉禄基于单向流动研究三维编织预制件的渗透型 复合材料学报，（）：，（）：戴福洪，张博明，杜善义，等复杂形状三维薄壁构件 制造工艺注模过程模拟 复合材料学报，（）：，刘刚，等：复合材料厚壁连杆 成型工艺模拟及制造验证 ，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：梁志勇，段跃新，尹明仁，等复合材料 制造工艺计算机模拟分析研究 航空学报，（）：，（）：，（）：，：，：，：复 合 材 料 学 报